氧化石墨烯重构水体砷的生物有效性及其分子机制研究

Graphene oxide (GO) as an emergent nanomaterial exhibits high risks of environmental exposure, strong reactivity, lots of nano defects and large specific surface area, etc. Therefore, it is critical to carry out the study of bioavailability and molecular mechanisms for the synergistic or antagonistic reactions between GO and high-toxicity pollutant (arsenic). Given that the speciation of pollutants determines their bioavailability, the valence state reconstruction of aquatic arsenic, the generation of free radicals, the molecular structures of complex state and the reactive sites of nano defects are studied to reveal the reconstructions of arsenic speciation and its chemical mechanisms using the high performance liquid chromatography tandem inductively coupled plasma mass spectrometry, electron paramagnetic resonance and Fourier transform infrared spectrum techniques. Furthermore, the Chlorella vulgaris is selected as the model organism. The growth and development of organisms, the morphology and structure of cells, the translocations of complex contaminants and the functions of ion channels are analyzed to illuminate the biological effects of arsenic reconstructions using rapid cell analyzer, transmission electron microscopy-energy dispersive and patch-clamp techniques. Finally, the relationships among the reactive oxygen species-genes-proteins-metabolites are established using high-throughput analysis to reveal the molecular mechanisms of bioavailability reconstruction. The study will provide theoretical and technical suggestions for the scientific assessment of GO joined-ecological risks and bioavailability of arsenic on new conditions.

鉴于新型纳米材料氧化石墨烯具备环境暴露风险高、反应活性强、纳米缺陷多及比表面积大等特点，开展其在水体中协同或拮抗高致毒物砷的生物有效性及其分子机制研究至关重要。由于污染物形态决定其生物有效性, 课题首先采用高效液相色谱串联电感耦合等离子体质谱、电子顺磁共振和傅里叶转换红外光谱技术等，从水体砷价态重构、自由基生成、络合态分子结构及纳米缺陷作用位点角度，阐明氧化石墨烯重构水体砷的形态及其化学机制。进一步，课题选择普通小球藻作为模式生物，采用快速细胞分析仪、透射电镜-能谱仪和膜片钳技术等，从生物生长发育、细胞形貌结构、复合污染物胞内迁移分布及离子通道功能角度，揭示氧化石墨烯重构砷诱发的生物效应。最后，课题借助高通量生物分析技术，通过搭建活性氧-基因-蛋白-代谢物与生物效应的因果关系，揭示生物有效性重构的分子机制。该研究将为科学评估氧化石墨烯复合生态风险及新形势下砷的生物有效性提供理论技术支撑。

石墨烯类纳米材料自2004年第一次成功获得以来，迅速在物理化学、生物医学及环境科学领域掀起了广泛研究热潮。随着氧化石墨烯的大量生产及广泛应用，使其不可避免地释放到生态环境中。有关石墨烯的生态环境分析研究仍然存在诸多未被解答的科学问题。砷作为一种传统高制毒污染物长期以来备受关注，但是氧化石墨烯作为一类新型纳米材料一旦释放到环境当中是否能够放大传统污染物比如砷的毒性效应，目前尚不清楚。鉴于此，我们利用高效液相色谱串联电感耦合等离子体质谱、电子顺磁共振、红外光谱及拉曼光谱技术等，阐述了砷与氧化石墨烯的相互作用，进一步扩展到氧化石墨烯与持久性有机物的相互作用；以普通小球藻、斑马鱼作为模式生物，采用快速细胞分析仪、透射电镜-能谱仪、共聚焦成像、微区拉曼光谱技术等，从生物生长发育、细胞形貌结构、复合污染物胞内迁移分布、氧化损伤、结构破损等角度揭示了氧化石墨烯与传统污染物的复合毒性效应。进一步借助高通量生物分析技术，通过代谢组学找到影响纳米毒性的关键代谢通路，通过蛋白组学从蛋白-蛋白相互作用角度揭示了上述生物效应的机理，并通过整合多组学，系统阐释了生物毒性的分子机制。该研究将为科学评估氧化石墨烯复合生态风险提供理论技术支撑。